第十一章 浸出与萃取.ppt

1、2020/8/31,1,第十一章 萃取Extraction,11.1 概述 11.2 固-液萃取 11.3 液-液萃取 11.4 超临界萃取,2020/8/31,2,萃取（Extraction ）：是利用物系中各组分在溶剂（萃取剂）中有不同的溶解度来分离混合物的单元操作。This separation process involves two phases. The two phases may be solid and liquid, immiscible liquid phases, or solid and gas.,萃取分类,液-液萃取（Liquid-liquid extraction

2、 ）：是用液态萃取剂处理与之不互溶的溶液，实现组分分离的单元操作，又简称萃取。,固-液萃取（Solid-Liquid Extraction ）：用液态萃取剂溶解提取固体物料中某组分的单元操作。又称为浸出、浸提等。,超临界萃取（supercritical extraction ）：用超临界流体作为萃取剂的萃取操作 。,萃取获得的物质不是纯物质，为了获得纯物质还须作进一步的处理，通常可借蒸馏、蒸发、结晶或干燥等方法，以去除萃取剂。为了经济的原因，一般萃取剂须回收再用。,11.1 概述,2020/8/31,3,一、概述 1、概念：Solid-liquid extraction is a basic

3、operation to separate one or more components contained in a solid phase by a liquid phase or solvent. The components transferred from the solid to the liquid phase are called solutes溶质, while the insoluble solid is called inert 惰性物质.,Solid-Liquid Extraction,11.2 固-液萃取,2020/8/31,4,Solid-liquid extrac

4、tion has different names depending on the objective of the process. Thus, it may be known as lixiviation浸滤, washing洗涤, percolation浸透, etc. It is usually described as “leaching滤取、滤去” in English-language literature . The purpose of this operation can be diverse, since in some cases it is necessary eli

5、minate from a solid an undesirable component by dissolving it into a liquid, which is called washing. However, in other cases, it is desired to obtain a valuable component contained in a solid by dissolving it into a liquid, which is called lixiviation. The term“percolation” refers to the way that t

6、he operation is carried out, which is by pouring a liquid onto a solid. 国内常称为浸出、提取等。,2020/8/31,5,2、应用：Important applications of the solid-liquid extraction in the food industry include: obtaining extracts from animal or vegetable materials：extraction of animal and vegetable oils 动植物油（soybean, corn,

7、and rice bran，rapeseeds, sunflower seeds ）；spice oils and natural flavor extracts香精油和风味物质；obtaining sugar（cane or beet ）糖； manufacturing tea and instant coffee速溶茶和咖啡；to separate useful ingredients from food processing waste and medicinal plants功能成分. washing precipitates；Washing occurs so frequently

8、as to need no specific examples. 除杂,2020/8/31,6,3、操作：This type of operation may be performed in one or multiple stages单级或多级. A stage refers to equipment in which the phases are in contact for a determined time, so that the mass transfer among the components of the phases are carried out, tending to

9、equilibrium over time. Once the equilibrium is reached, a mechanical separation of phases is applied. It is difficult to reach equilibrium in one stage, so it is necessary to define the efficiency 效率 in order to calculate the real stages. Efficiency of one stage is the quotient商数 between the change

10、in composition actually achieved and the change that should have been achieved for an equilibrium situation under the working conditions.,2020/8/31,7,The ways of operation used in extraction processes can be continuous or batch连续或间歇操作. Once or more stages can be employed for batch operation, with ne

11、w solvent in each stage平流（错流）, or under countercurrent逆流. A simple stage consists of an agitated mixer搅拌混合器, where the solid and the solvent are in contact for at given time. Then the mixture is transferred to a separator分离器, where the phases, called extract and exhausted solids, are obtained after

12、a specified standing time. The extraction and separation stages can be carried out in one piece of equipment instead of two; this type of equipment is called an extractor萃取器.,2020/8/31,8,二浸出理论 1浸出体系组成的表示方法三角形坐标图triangular diagram 认为一个浸出体系由三种成分组成：溶质、萃取剂和原溶液（稀释剂）。,2020/8/31,9,每个顶点分别代表一个纯组分，即顶点A表示纯溶质A，

13、顶点B表示纯原溶剂（稀释剂）B，顶点S表示纯萃取剂S。 AB边以A的质量分率作为标度，BS边以B的质量分率作为标度，SA边以S的质量分率作为标度。 三条边上的任一点代表一个二元混合物系，第三组分的组成为零。 三角形坐标图内任一点代表一个三元混合物系。 xA+ xB+xS =1.0,溶质,萃取剂,原溶剂 （稀释剂）,（惰性固体）,2020/8/31,10,当固体与溶剂经过充分长时间的接触后，溶质A溶解进和萃取剂，固体空隙中液体的浓度将等于固体周围液体的浓度，液体的组成将不再随接触时间延长而改变，即达到平衡。这样的接触级称为理论级或理想级。平衡时的溶液不一定已达到饱和。 It is evident

14、 that mass transfer takes place until equilibrium is reached. Equilibrium is reached when the solute is dissolved, thus obtaining a solution with uniform concentration. When the solute content in the solid is high enough, it is considered that equilibrium is reached when the solution in contact with

15、 the solid is saturated.,2浸出系统的平衡关系,2020/8/31,11,设溶质A原来呈固态，且足够多，则A在S中必有一饱和溶解度。该饱和溶解度即图中的G点所代表的组成，则BG线把相图分为两个区域，其中位于BG线下方的区域为未饱和区，亦即A与S量之比小于饱和溶解度，而位于BG上方的区域为饱和区。 只有在不饱和区才能进行浸出。,2020/8/31,12,3溢流与底流平衡关系的表达,浸提的上层澄清液称为溢流overflow ，底部残渣称为底流underflow 。,理论级底流液体中的溶质浓度等于溢流中的溶质浓度。,如果溢流中不含惰性固体，则其组成点必位于三角形相图的边AS上

16、，如图中的E点。底流则可看做由一定量的惰性固体和与溢流相同的溶液混合而成，故其组成必位于BE联线上，如图中状态点R。以yA表示溢流中的溶质A的浓度，以xA表示底流中溶质A的浓度。,2020/8/31,13,4杠杆规则（Lever Rule）,假设原混合物量为M，其组成为zA、zB、zS；溢流E组成为yA、yB、yS；设底流的组成为BE联线上的R状态点，其组成为xA、xB、xS，则 总物料衡算： M=E+R 对组分A的物料衡算： MzA=EyA+RxA 式中：E、R分别为溢流和底流量，单位为kg或kg/s ； RM、ME分别为线段的长度，代表溢流和底流的量。,2020/8/31,14,三浸出过程

17、与影响因素,（一）浸出过程 浸出过程一般可被分解为以下四个阶段： 1、溶剂浸润与渗透阶段：溶剂被吸附在固体物料表面，由于液体静压力和固体物料的毛细作用，被吸附的溶剂渗透到物料组织内部的过程。溶剂渗透到物料细胞组织中后使干皱的细胞膨胀，恢复细胞壁的通透性，形成通道，能够让目标产物从细胞内扩散出来。 2、解吸与溶解阶段：由于固体物料中有些成分对其他成分有较强的吸附作用（亲合力），使这些成分不能直接溶解在溶剂中，需要解除这种吸附作用，即解吸，才能使目标成分进入溶剂即溶解。,2020/8/31,15,3、内扩散阶段：即溶质从固体内部液体扩散到固体表面液体。由于固体内液体处理静止状态，故内扩散主要是分子

18、扩散。 Mass transfer rate in this stage is expressed as: where: NS= mass flux（质量流量） in kg.m-2.s-1 DL= diffusivity of the solute through the solvent in m2.s-1 C=concentration of the solute in kg.m-3 Z=distance inside the pore in m,2020/8/31,16,4、外扩散阶段：即溶质继续从固体表面通过液膜扩散到达外部溶剂主体。包括分子扩散和主体流动。 Mass transfer

19、rate at this stage is expressed as: where : M=mass of solute transferred (kg) A=particle-solution contact surface(m2) t=time(s) CS=solute concentration at the solids surface (kg.m-3) C=solute concentration in the solution at a determined instant (kg.m-3) KL=mass transfer coefficient (m.s-1),2020/8/3

20、1,17,（二）浸提速率 内扩散控制浸提速率，但由于固体物料内部组织结构相当复杂，溶质在物料内部的扩散速率很难确定，故通常用外部传质速率来表示浸提速率（kg/s），即,扩散系数KL值随固体物料而变化，与浸出溶剂的性质亦有关，它不是常数，可由实验按下式求得： 上式中，R为气体常数，T为绝对温度，N为阿伏加德罗常数，r为扩散物质（溶质）分子半径，为粘度。,KL,2020/8/31,18,从以上两式可以看出，浸出速率（dM/dt）与扩散面积（A）、浓度差（dc/dx）、温度（T）成正比；与扩散物质（溶质）分子半径（r）、液体的粘度（）成反比。,1原料的形状和大小（即固液接触表面积）。科特和温加德以残

21、油率到达1%所需的时间作为浸取速率的指标，并以厚度l表示片状原料的尺寸，以平均直径表示细粒状原料的尺寸，得出如下的关系式： = al m 式中，a、m为常数，l的单位以m来表示，m值与大豆种类有关，大体上为常数。a表示浸取进行的相对难易程度。对同一原料种子还因其品质、产地不同而显著差别。,2020/8/31,19,2溶质浓度差。固体表层与外层溶液之间的溶质浓度差与浸出速率呈正比。,2020/8/31,20,4温度。在较高的温度下进行浸出操作，可提高溶质的扩散速度，同时降低溶液的粘度，对提高浸出速率有利，但温度受物料特性的限制，特别是热敏性物料，温度不能过高。温加德以各种溶剂处理大豆、棉籽、亚麻

22、籽等，改变浸取温度以则定浸取速率，得出如下关系式： =a（T-17.8）m 式中：T-温度， a、m-常数，m的数值大小表示温度对浸取速率的影响程度。,3溶剂流速。溶剂流过物料表面时，流速大而且呈湍流流动时，促进了外扩散过程，使浸出速率增大。在食品浸出过程中，溶剂常借以重力、泵或采用机械搅拌方式，促进溶剂流动，加快浸出速度。,2020/8/31,21,（三）溶剂的选择,1安全卫生，化学性质稳定,2溶解选择性好，对溶质的溶解度大,3表面张力和黏度小 ，对溶质的扩散阻力小,4与物料的密度相近 5 与溶质之间有足够大的沸点差（即相对挥发度大） ，易于回收利用,6价廉易得,选择溶剂应考虑以下原则：,2

23、020/8/31,22,四浸出操作类型,1、简单接触：设备简单，但生产能力小，浸出效率低。,2多级接触：溶剂用量少，浸出效率高，浸出液中所含溶质的浓度高等,（1）并（错）流多级接触：,（2）逆流多级接触：,3连续接触：即在一个浸出装置中，物料与溶剂互成逆向连续接触的浸出操作。又称连续微分逆流接触。,2020/8/31,23,简单接触,2020/8/31,24,多级接触,2020/8/31,25,五浸出操作计算 （一）浸出操作计算内容,1浸出时间。浸出所需的时间决定于浸出的速率。浸出过程延续的时间越长，粕中溶质残留率越低。但为了提高生产效率，对浸出时间应有一定的限制。,2020/8/31,26,

24、2溶剂用量。溶剂需要量可根据浸出过程中物料的开始和终了情况，由物料衡算求出。 3浸出器大小。浸出器的大小，通常凭经验来确定。 浸出器总容积=（混合物料+溶液容积+附属设备体积）（1+0.3） 4浸出级数和效率。在多级接触的浸出中，浸出器数目（即级数）是重要的计算项目。多级浸出级数的计算建立在理论级数的基础上。实际所需的级数就要比理论级数多。理论级数和实际级数之比，称为效率，即,2020/8/31,27,（二）连续逆流浸出级数计算方法,1代数计算法,主要适用于恒底流的情况。所谓恒底流，即底流中的溶液量对每一级而言均相同。理论上，恒底流L必然伴随恒溢流V。,第i级的溶质物料衡算式的通式为： Vyi

25、+Lxi=Vyi+1+Lxi-1 xi-1=（+1）xi-x i+1 对第N级（末级）：xN-1=（+1）xN-xN+1 对第N-1级：xN-2=（+1）xN-1-xN =（2+1）xN-（+1）xN+1 ； ,理论级xi=yi，并令=V/L（对恒底流，为常数）,对第2级：,对第1级能否继续类推？,2020/8/31,28,对第1级，由于溢流量EV，底流的溶液量也不等于原料中所含的溶液量，故不可应用通式。如对全系统进行物料衡算，便得： EyE+LxN=FxF+VyN+1 第一级的溢流底流比不同于其他各级，令：1=E/L 由于，yE = x1，把x1代入上式得：,2020/8/31,29,两端同

26、除以LxN后整理，并令R= LxN / FxF得：（V=S，yN+1= yS，xN= xW）,yS =0,R为随残渣排出的溶质量与原料所含的溶质量之比，称为残渣率或损失率。,2020/8/31,30,解：以1h为计算基准。 已知：F=100t,xF=0.12,yE=0.15,L=10040%3=120t,=0.7 原料中的总糖量=10012%=12t/h 损失的糖量=10012%(1-97%)=0.36t/h 则损失率R=0.36/12 浸出液E中的总糖量= 10012%97%=11.64t/h 浸出液量E=11.64/0.15 =77.6t/h 根据全程物料衡算: 100+S=77.6+(1

27、20+40) 得用溶剂水量S=137.6t/h=溢流量V,2020/8/31,31,=V/L=137.6/120=1.15 1=E/L=77.6/120=0.647 代入公式,2020/8/31,32,2三角形相图计算法：,设溢流中不含惰性固体，则溢流为溶质A和溶剂S的二元混合物，底流则为三元混合物。,由原料和底流中惰性固体的物料衡算可知： FxFB=L1x1B=L2x2B=L3x3B 设第一级单位质量惰性固体所持有的溶液量为K1，则L1中的溶液量为K1L1x1B，其所含的溶质量为y1AK1 L1x1B，故L1中溶质A的分率为：,这里的L与前边的L含义一样吗？,2020/8/31,33,L1中

28、惰性固体分率为： 同理，对L2、L3有： 恒底流意义即为各级底流中惰性固体的持液量相等，故 K1= K2= K3= K 此时有：x1B= x2B= x3B=1/（1+ K）,同理，对L2、L3有：,2020/8/31,34,由此可知，恒底流情况下，xB =常数，从而xA +xS =常数，则底流组成在三角形相图上为一条平行于斜边的直线mn。假设某级底流的状态点为L（在mn上），连接B和L并延长交斜边于V，则点L分线段BV和LV两部分，线段BL与LV的长度之比即为底流中溶液量与惰性固体量之比。由于底流中溶液的组成与溢流组成相同，故点V亦代表溢流的组成。,2020/8/31,35,E-F=V2-L1=V3-L2=S-W=常数 按杠杆规则，在相图上代表线段EF、V2L1、V3L2和SW的共同外分点，即为它们的延长线的交点，此点称为差点，亦称操作点。而三条平衡线V3L3（V3W）、V2L2、V1L1（EL1）分别代表三个理论级。,三级逆流浸出在三角形相图上的表示方法见图9-10。由各级的物料衡算得如下关系：,2020/8/31,36,5、如此不断重复第3、第4步，直到斜连上交点跨过斜边上E点为止。 则E点及其与S点之间点的个数即为理论浸出级数。 另外，也可采用相